齿轮量仪的现状与发展

齿轮量仪是一个内含较为丰富的概念，它不仅包括检测各种齿轮的仪器，也将检测蜗轮、蜗杆、齿轮刀具、传动链的仪器附属在其中。齿轮种类繁多，几何形状复杂，表征其误差的参数众多。所以，齿轮量仪的品种也很多。
    齿轮测量技术及其仪器的研究已有近百年的历史，其发展历程如图所示，在这不短的发展历程中，有6件标志性事件：

    (1)1923年，德国Zeiss公司在世界上首次研究成功一种称为"Toooth Surface Tester"的仪器，实际上是机械展成式万能渐开线检查仪。在此基础上经过改进，Zeiss于1925年推出了实用性仪器，并投放市场。该仪器的长度基准采用了光学玻璃线纹尺，其线距为1微米。该仪器的问世，标志着齿轮精密测量的开始，在我国得到广泛使用的VG450就是该仪器的改进型。
    (2)50年代初，机械展成式万能螺旋线标准仪的出现，标志着全面控制齿轮质量成为现实。
    (3)1965年，英国的R·Munro博士研制成功光栅式单啮仪，标志着高精度测量齿轮动态性能成为可能。
    (4)1970年，以黄潼年为主的中国工程技术人员研制开发的齿轮整体误差测量技术，标志着运动几何法测量齿轮的开始。
    (5)1970年，美国Fellow公司在芝加哥博览会展出Microlog50，标志着数控齿轮测量中心的开始。
    (6)80年代末，日本大阪精机推出了基于光学全息原理的非接触齿面分析机PS-35，标志着齿轮非接触测量法的开始。

    整体上考察过去一个世纪里齿轮测量技术的发展，主要表现在以下几个方面：
    (1)在测量原理方面，实现了由"比较测量"到"啮合运动测量"，直至"模型化测量"的发展；
    (2)在实现测量原理的技术手段上，历经了"以机械为主"到"机电结合"，直至当今的"光-机-电"与"信息技术"综合集成的演变；
    (3)在测量结果的表述与利用方面，历经了"指示表加目视读取"到"记录仪器记录加人工研判"，直至"计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统"的飞跃。与此同时，齿轮量仪经历了从单品种单参数的仪器(典型仪器有单盘渐开线检查仪)、单品种多参数的仪器(典型仪器有齿形齿向检查仪)到多品种多参数仪器(典型仪器有齿轮测量中心)的演变。

    70年代以前的近50年内，世界上已开发出测量齿廓、螺旋线、齿距等基本参数的各种类型、各种规格的机械展成式仪器。这些仪器借助一些精密机构形成指定标准运动，然后与被测量进行比较，从而获得被测误差的大小。世界上曾开发出多种机械式渐开线展成机构，如单盘式、圆基杠杆式、靠模式等。其中以圆盘杠杆式应用最广，属于这一类的仪器有：Zeiss VG450、Carl Mahr890和891S、MAAG SP60和HP100、大阪精机GC-4H和GC-6H以及哈尔滨量具刃具厂的3201。对齿廓误差测量而言，机械展成式测量技术仅限于渐开线齿廓误差测量上。对非渐开线齿轮的端面齿厚测量，采用展成法测量是很困难的，因为展成机构太复杂并缺乏通用性。对精确的螺旋展成机构而言，主要采用正弦尺原理，只是如何将正弦尺的直线运动精确地转换为被测工件的回转运动的方式各不相同，这种机构在滚刀螺旋线测量上应用最为典型，如德国Fette公司生产的UWM型滚动测量仪、Zeiss厂生产的万能滚动测量仪、前苏联BHИИ设计的万能型滚动测量仪、意大利Samputensili厂的SU-130型滚刀测量仪、美国Michigan公司生产的万能滚刀测量仪以及Klingelberg公司的PWF250/300。70年代前，机械展成式测量技术已经发展成熟，并在生产实践中经受了考验。尽管这样，也存在一些不足之处：其测量精度仍依赖于展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差，且测量一个齿轮需多台仪器。迄今，基于这些技术的仪器仍是我国一些工厂检验齿轮的常用工具。

    1970年是齿轮测量技术的转折点。齿轮整体误差测量技术和齿轮测量机(中心)的出现解决了齿轮测量领域的一个难题，即在一台仪器上快速获取齿轮的全部误差信息。这两项技术虽然都基于现代光、机、电、计算机等技术，但走上了不同的技术路线。齿轮整体误差测量技术是从综合测量中提取单项误差和其它有用信息。经过30年的完善与推广，齿轮整体误差测量方法在我国已发展成为传统元件的运动几何测量法。其基本思想是将被测对象作为一个刚性的功能元件或传动元件与另一标准元件作啮合运动，通过测量啮合运动误差来反求被测量的误差。运动几何测量法的鲜明特点是形象地反映了齿轮啮合传动过程并精确地揭示了齿轮单项误差的变化规律以及误差间的关系，特别适合齿轮工艺误差分析和动态性能预报。采用这种方法的仪器的优点是测量效率高，适用于大批量生产中的零件检测。典型仪器是成都工具研究所生产的CZ450齿轮整体误差测量仪、CSZ500锥齿轮测量机和CQB700摆线齿轮测量仪。而齿轮测量中心采用坐标测量原理，实际上是圆柱(极)坐标测量机，"坐标测量"实质是"模型化测量"。对齿轮而言，模型化的坐标测量原理是将被测零件作为一个纯几何体(相对"运动几何法"而言)，通过测量实际零件的坐标值(直角坐标、柱坐标、极坐标等)，并与理想形体的数学模型作比较，从而确定被测量的误差。坐标测量法的特点是通用性强，主机结构简单，测量精度很高。坐标法测量齿轮的思想早已有之，如用万能工具显微镜与分度头的组合也可用来测量齿轮。但是，这种静态测量方式不仅效率低，且测量精度得不到保证。现代光电技术、微电子技术、计算机技术、软件工程、精密机械等技术的发展才真正为坐标测量法显示其优越性提供了坚实的技术基础。迄今已有美国、德国、日本、瑞士、中国、意大利等几个国家生产CNC齿轮测量中心，国外的典型产品是M＆M公司的3000系列、Klingelberg的P系列；国产的典型产品是成都工具研究所的CGW300卧式测量中心和哈尔滨量具刃具厂的3903型齿轮测量中心。各国的齿轮测量中心虽然原理上大同小异，但实现方式却存在一定差距。主要表现在：

    (1)在测量传感器等方面，虽然测角一般采用高精度圆光栅，但测长因被测对象不同而有所差异。精度要求很高的齿轮或轴向尺寸很长的工件等，一般采用双频(或单频)激光干涉仪作长度基准(如测量渐开线或螺旋线样板等)；而其它情况，则采用高精度长光栅。
    (2)在机械系统的精度方面，高精度的轴承是必须的；而直线导轨的精度有靠机械精度保证的，也有采用误差修正技术达到的。
    (3)在数控系统方面，70年代常为NC开环控制；80年代后，全为CNC控制，大多采用直流伺服电机或步进电机。目前已有采用交流伺服系统或直线电机的。
    (4)在测头方面，有电感式的，也有光栅式的；有一维的，也有三维的，甚至有刚性的。刚性测头是不带测微传感器的。若采用刚性测头，则仪器通常是专用的。

    齿轮测量中心一般由主机、CNC数控单元、数据采集单元、机间通讯接口、计算机及外设、测量软件和数据处理软件等部分组成。当今最新的CNC齿轮测量中心的主要特点是：①性能上是高效、高精度、易操作。所采取的措施有精密机械的优化设计、32位的CNC4-5轴数控系统、直线电机、三维测头和误差修正技术。②在功能上，包括齿轮(内、外)、齿轮刀具(滚刀、插齿刀、剃齿刀)、锥齿轮、蜗轮、蜗杆、螺杆、凸齿轮、拉刀等回转类零件的主要误差项目测量；轴类零件的形位公差测量；强大的分析功能，如接触分析、工艺误差分析、齿根形状分析、参数反求等；可耦合到加工系统中，实时数据通信。③在可维修性方面，能故障自诊断、网络远程故障诊断。④可升级性，包括软件的可升级和硬件的可升级。

    与机械展成式测量仪器相比，CNC齿轮测量中心的优点是不言而喻的，其质的飞跃是为任意形状的齿廓测量提供了可能，而不仅仅局限于渐开线或直线齿廓。锥齿轮、K蜗杆(滚刀)、C蜗杆(滚刀)的测量就是明证。CNC齿轮测量中心为测控非线性螺旋曲面提供了工具。

    90年以来，在世界范围内，齿轮测量技术领域出现了几股值得注意的现象：
①齿轮整体误差测量技术与齿轮坐标测量技术合二为一。成都工具研究所推出了既有标准蜗杆又有测头的齿轮测量机CZN450，而国外的CNC齿轮测量中心也能给出"虚拟整体误差"。
②齿轮测量中心与三坐标测量机的合二为一，如美国TSK公司的Rdaiance和Process Equipement Company的ND430。
③功能测试与分试测试的合二为一。简化齿轮测量是发展趋势，齿轮整体误差测量仪因高效率地给出齿轮全信息而被世界接受。

    展望未来，齿轮量仪相关的研发重点是：齿轮网络化测量技术；基于实测结果的齿轮性能虚拟分析技术(智能配对、动力学性能预报等)；齿轮整体误差测量技术(指标量化、性能优化等)；齿轮误差的智能分析技术；齿轮统计误差概念体系的建立及其相应的测量技术；生产现场的齿轮快速测量与分析技术(目前ITW的Model4823为450～600件/时；目标：1000件/时)；精密机械、光电技术、微电子技术、软件工程等技术在齿轮上的应用。